مقدمه
انتقال حرارت به سیالات با خواص متغیر موضوعی است که از بیش از نیم قرن پیش مورد توجه محققان قرار گرفته است.
خواص ترمودینامیکی و انتقالی در سیالات معمولا تابعی از دما و فشار سیال است. این خواص در دماها و فشارهای معمولی تقریبا ثابت است. یکی از پیچیده ترین وکلی ترین سیال با خواص متغیر و تابع شدید دما و فشار سیال فوق بحرانی می باشد. این سیال بدلیل تغییر بسیار زیاد خواص آن بخصوص در نقطه بحرانی بسیار مورد توجه است و همواره به عنوان یک سیال خواص متغیر کامل مورد استفاده قرار می گیرد.
در اینجا نیز با توجه به ویژگی های این سیال که در ادامه شرح داده خواهد شد و همچنین به عنوان پیچیدهترین نوع سیال خواص متغیر که میتوان انواع دیگر از سیالات با خواص متغیر را حالت خاصی از این سیال دانست از این سیال به عنوان سیال پایه وخواص متغیر استفاده میشود.
1-1-سیال فوق بحرانی
وقتی صحبت از سیال فوق بحرانی میشود منظور سیال در فشار بالای نقطه بحرانی و دمای نزدیک نقطه بحرانی یا نقطه شبه بحرانی Tpc میباشد.(شکل 1-1 )
نقاط شبه بحرانی به نقاطی اطلاق میشود که ظرفیت کرمایی ویژه در فشار ثابت ماکزیمم است.
شکل (11): نمودار درجه حرارت حجم برای آب خالص
در واقع در هر فشار فوق بحرانی یک نقطه شبه بحرانی( دمای شبه بحرانی) وجود دارد که در آن تغییرات خواص سیال حداکثر است.( ظرفیت گرمای ویژه ماکزیمم است).
شکل (12): نمودار فشار درجه حرارت برای آب خالص (دیاگرام فاز)
همانطور که در شکل (1-2) دیده میشود ناحیه فوق بحرانی به دو قسمت ناحیه شبه مایع و ناحیه شبه بخار تقسیم میشود . در فشار ثابت زمانی که دما بزرگتر از دمای شبه بحرانی است ناحیه شبه بخار و در زمانی که کوچکتر از دمای شبه بحرانی است ناحیه شبه مایع نامیده میشود .
دلیل این اسم گذاری آن است که در واقع در فشارهای فوق بحرانی سیال را نه میتوان مایع فرض کرد ونه بخار وتنها هالهای است که فقط میتوان به آن سیال گفت . واین تقسیمبندی فقط جهت تطابق با حالت فشارها و دماهای عادی (زیر نقطه بحرانی) است وگرنه در فشارهای فوق بحرانی تغییر فاز وجود ندارد و فقط خواص سیال من جمله چگالی در قبل و بعد از نقطه شبه بحرانی تغییر میکند . همچنین میتوان اینطور عنوان کرد که بدلیل اینکه در ناحیه دمای بزرگتر از دمای شبه بحرانی چگالی کوچکتر از ناحیه دمای کوچکتر از دمای شبه بحرانی است ، ناحیه چگالی کوچکتر را شبه بخار ودیگری را شبه مایع مینامند .
1-2-کاربردهای سیالات فوق بحرانی
در دهه های اخیر استفاده از سیال فوق بحرانی در صنعت رو به فزونی است . برای افزایش بازده نیروگاهها در سالهای اخیر استفاده از آب فوق بحرانی SCW ، مورد توجه قرار گرفته است . سیالات فوق بحرانی بعنوان مبرد (خنک کننده ) برای ماشینهای الکتریکی وهمچنین بعنوان مبرد برای راکتورهای هستهای مورد استفاده قرار میگیرند . در فرایندهای شیمیایی بسیار زیادی مانند ، تغییر فرم ذره ، استخراج و کارخانههای کف (شوینده) از سیالات فوق بحرانی مانند CO2 وهیدروکربنها استفاده میکنند .
در یکی دیگر از کاربردهای سیالات فوق بحرانی از اکسیداسیون آب فوق بحرانی ، scwo ، استفاده میشود . مواد آلی مسموم بهمراه اکسیژن داخل آب فوق بحرانی مخلوط میشوند که نتیجه محصولات احتراق بی ضرر میباشد . در این روش آب خاصیت جالب توجهی از خود نشان میدهد. آب که در حالت معمول حلال مواد معدنی ونمکها است وقابلیت حل کردن مواد آلی را ندارد ، در حالت فوق بحرانی تغییر کرده و بر عکس میشود یعنی مواد آلی را به خوبی در خود حل میکند در حالی که دیگر حلال خوبی برای نمکهای معدنی نمیباشد . محصولات معمول از این فرایند شامل CO2 ، آب و نمکها یا اسیدهای غیرآلی میشوند .
مزایای روش scwo عبارتند از :
1. تخریب سریع وکامل کربنهای آلی ، حتی با وجود دیاکسید
2. عدم تولید NOx ، SOx ، دیاکسید ودوده
3. محصولات تولیدی آب ، دیاکسید کربن و گاز نیتروژن است .
4. بازیافت انرژی قابل حصول است .
شکل (1-3): کثافات فاضلاب
(سمت چپ:پیش از اعمال،سمت راست:پس از اعمال)
روش scwo در موارد ذیل قابل اعمال است :
آبهای آلوده آلی شامل ؛ آبهای پسرفتی کارخانههای شیمیایی ، آبهای پسرفتی صنایع غذایی
کثافات آلی شامل ؛ کثافات فاضلاب شهرداری ، کثافات کارخانههای شیمیایی
در بیشتر این کاربردها ، انتقال حرارت به فرایند سیال در فشارهای فوق بحرانی ودر دماهای زیر نقطه بحرانی و فوق بحرانی وجود دارد .